一種物方視場(chǎng)拼接紅外高光譜成像系統(tǒng)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種紅外高光譜成像系統(tǒng)，具體涉及一種物方視場(chǎng)拼接實(shí)現(xiàn)大視場(chǎng)的 棱鏡分光紅外高光譜成像系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002] 高光譜成像技術(shù)在遙感領(lǐng)域有著重要應(yīng)用，目前公開的高光譜成像儀主要工作在 可見光、近紅外以及短波紅外波段。由于紅外焦平面探測(cè)器研制難度大，成本高，紅外高光 譜成像儀相對(duì)可見光高光譜成像儀技術(shù)門檻高，大視場(chǎng)高靈敏度的紅外高光譜成像儀技術(shù) 難度則更大。
[0003]目前高靈敏度的紅外高光譜成像儀，主要采用推帚方式（視場(chǎng)往往較?。⒛暦?式（后處理復(fù)雜）和選用高靈敏度大面陣紅外焦平面探測(cè)器（價(jià)格昂貴）三種技術(shù)手段。[0004] 大視場(chǎng)高光譜成像儀過去常用光機(jī)掃描式來實(shí)現(xiàn)，但光機(jī)掃描方式高光譜成像儀 像元駐留時(shí)間短，其靈敏度一般低于推帚式儀器。
[0005] 要實(shí)現(xiàn)高靈敏度大視場(chǎng)高光譜成像儀，通常采用多臺(tái)光譜儀拼接來實(shí)現(xiàn)，其缺點(diǎn) 是，需要較多的光譜儀和探測(cè)器，成本較高，不利于儀器的推廣應(yīng)用。
[0006]本發(fā)明提出的物方視場(chǎng)拼接紅外高光譜成像系統(tǒng)在物方采用三組物鏡對(duì)左、中、 右三路視場(chǎng)分別進(jìn)行成像，通過折轉(zhuǎn)鏡將像面與系統(tǒng)的三狹縫面重合?？梢圆捎靡惶准t外 探測(cè)器組件，分別接收三路視場(chǎng)的光譜圖像信號(hào)，大大降低系統(tǒng)成本。本發(fā)明特別適用于物 鏡口徑不太大的應(yīng)用場(chǎng)合，例如航空遙感、中分辨率航天遙感等。
[0007]本發(fā)明盡管增加了物鏡的數(shù)量和折轉(zhuǎn)鏡，以及由于系統(tǒng)采用了三狹縫，垂直于狹 縫方向的視場(chǎng)有所擴(kuò)大，導(dǎo)致成像系統(tǒng)尺寸略大，但比起采用三臺(tái)光譜儀來說無論是體積 還是重量都要小的多，并且由于可以僅采用一個(gè)探測(cè)器就能接收三路視場(chǎng)的光譜圖像信 號(hào)，系統(tǒng)的成本相應(yīng)大幅度下降。目前紅外探測(cè)器成本約占高靈敏度推帚式紅外高光譜成 像儀硬件成本的一半以上。粗略估算，采用本發(fā)明實(shí)現(xiàn)的系統(tǒng)成本不到傳統(tǒng)多臺(tái)光譜儀拼 接系統(tǒng)的50%。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008]本發(fā)明的目的在于提供一種大視場(chǎng)、成本相對(duì)較低的紅外高光譜成像系統(tǒng)，解決 現(xiàn)有高光譜成像儀很難同時(shí)兼顧大視場(chǎng)、高靈敏度和低成本的問題。
[0009]本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是：一種物方視場(chǎng)拼接紅外高光譜成像系統(tǒng)，系統(tǒng)包括 成像子系統(tǒng)1和分光子系統(tǒng)2。其中，如圖1所示，成像子系統(tǒng)1包括：（左路視場(chǎng)）前置 轉(zhuǎn)折鏡101-1、物鏡組103-1、后置轉(zhuǎn)折鏡102-1 ;(中路視場(chǎng)）前置轉(zhuǎn)折鏡101-2、后置轉(zhuǎn)折 鏡102-2、物鏡組103-2 ;(右路視場(chǎng)）前置轉(zhuǎn)折鏡101-3、物鏡組103-3、后置轉(zhuǎn)折鏡102-3 ; 如圖2所示，分光子系統(tǒng)2包括：三狹縫201、準(zhǔn)直反射鏡202、分光棱鏡203、會(huì)聚反射鏡 204和探測(cè)器光敏面205。左路視場(chǎng)區(qū)域按地面軌跡掃描進(jìn)來的目標(biāo)光線依次通過前置轉(zhuǎn) 折鏡101-1、物鏡組103-1、后置折轉(zhuǎn)鏡102-1，然后一次成像在三狹縫面的狹縫1(201-1) 上；中路視場(chǎng)區(qū)域按地面軌跡掃描進(jìn)來的目標(biāo)光線依次通過前置轉(zhuǎn)折鏡101-2、后置轉(zhuǎn)折 鏡102-2、物鏡組103-2,然后一次成像在三狹縫面的狹縫2 (201-2)上；右路視場(chǎng)區(qū)域按地 面軌跡掃描進(jìn)來的目標(biāo)光線依次通過前置轉(zhuǎn)折鏡101-3、物鏡組103-3、后置折轉(zhuǎn)鏡102-3， 然后一次成像在三狹縫面的狹縫3(201-3)上。三路視場(chǎng)的目標(biāo)光線按左、中、右路順序并 排成像在三狹縫201處。通過三狹縫201的三路視場(chǎng)光線經(jīng)過準(zhǔn)直反射鏡202反射到分光 棱鏡203色散后，最后折射到會(huì)聚反射鏡204上，最終被探測(cè)器光敏面205接收。
[0010] 所述三組前置轉(zhuǎn)折鏡101和后置轉(zhuǎn)折鏡102均為平面反射鏡，所述物鏡組 1 (103-1)、物鏡組2(103-2)、物鏡組3(103-3)為結(jié)構(gòu)相同的望遠(yuǎn)透鏡組，所述準(zhǔn)直反射鏡 202為偏軸使用的凹扁球形反射面；所述會(huì)聚反射鏡204為偏軸使用的凹橢球形反射面；所 述分光棱鏡203為偏軸使用的融石英棱鏡，該融石英棱鏡的第一面203-1和第二面203-2 的光學(xué)表面均為球面，其中第一面為內(nèi)反射面，第二面為透射表面。
[0011] 令垂直于地面目標(biāo)指向地心方向?yàn)檎齒軸方向，地面軌跡由左到右視場(chǎng)方向?yàn)檎?Y軸方向，搭載光譜成像系統(tǒng)的飛行平臺(tái)運(yùn)動(dòng)軌跡反方向?yàn)檎齔軸方向。對(duì)于左路視場(chǎng)，前 置轉(zhuǎn)折鏡1 (l〇l-l)Z軸傾斜-45°，后置轉(zhuǎn)折鏡1 (102-1)X軸傾斜45° ;對(duì)于中路視場(chǎng)，前 置轉(zhuǎn)折鏡2 (101-2) Z軸傾斜-45°，后置轉(zhuǎn)折鏡2 (102-2) X軸傾斜45° ;對(duì)于右路視場(chǎng)，前 置轉(zhuǎn)折鏡3 (101-3) Z軸傾斜45°，后置轉(zhuǎn)折鏡3 (102-3) X軸傾斜-45°。
[0012] 所述的探測(cè)器光敏面205按照左、中、右三路視場(chǎng)順次且緊湊的接收三段連續(xù)的 光譜圖像信號(hào)，探測(cè)器光敏面205上的三段光譜圖像信號(hào)可視為不間斷的、連續(xù)的、包含了 左、中、右三路視場(chǎng)信息的一長段大視場(chǎng)的總光譜圖像信號(hào)。
[0013] 本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是：
[0014]相比于傳統(tǒng)光機(jī)掃描式光譜儀，該物方視場(chǎng)拼接紅外高光譜成像系統(tǒng)靈敏度更 高；相比于推帚式光譜儀，該物方視場(chǎng)拼接紅外高光譜成像系統(tǒng)視場(chǎng)更大；相比于多臺(tái)光 譜儀拼接系統(tǒng)須采用多臺(tái)探測(cè)器，該物方視場(chǎng)拼接紅外高光譜成像系統(tǒng)僅需要一臺(tái)紅外面 陣探測(cè)器，因而成本更低。
【附圖說明】
[0015] 為了更清楚地說明本發(fā)明實(shí)施例的技術(shù)方案，下面將對(duì)實(shí)施例描述中所需要使用 的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本發(fā)明的一些實(shí)施例，對(duì)于本 領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來講，在不付出創(chuàng)造性勞動(dòng)的前提下，還可以根據(jù)這些附圖獲得其他 附圖。
[0016]圖1物方視場(chǎng)拼接紅外高光譜成像系統(tǒng)成像子系統(tǒng)光學(xué)結(jié)構(gòu)；
[0017] 圖2物方視場(chǎng)拼接紅外高光譜成像系統(tǒng)分光子系統(tǒng)光學(xué)結(jié)構(gòu)；
[0018] 圖3實(shí)施案例（色散寬度2. 5mm)設(shè)計(jì)傳遞函數(shù)（1. 0 ym波段）；
[0019] 圖4實(shí)施案例（色散寬度2. 5mm)設(shè)計(jì)傳遞函數(shù)（L 75 ym波段）；
[0020] 圖5實(shí)施案例（色散寬度2. 5mm)設(shè)計(jì)傳遞函數(shù)（2. 5 y m波段）。
【具體實(shí)施方式】
[0021] 下面結(jié)合本發(fā)明實(shí)施例中的附圖，對(duì)本發(fā)明實(shí)施例中的技術(shù)方案進(jìn)行清楚、完整 地描述，顯然，所描述的實(shí)施例僅僅是本發(fā)明一部分實(shí)施例，而不是全部的實(shí)施例?；诒?發(fā)明的實(shí)施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒有做出創(chuàng)造性勞動(dòng)前提下所獲得的所有其他實(shí)施 例，都屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍。
[0022] 下面將結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明實(shí)施例作進(jìn)一步地詳細(xì)描述。
[0023] 所述物方視場(chǎng)拼接紅外高光譜成像系統(tǒng)的成像子系統(tǒng)中，物鏡組由正透鏡1、負(fù)透 鏡1、負(fù)透鏡2、正透鏡2、負(fù)透鏡3、正透鏡3順次組成，物鏡組口徑12. 5mm，視場(chǎng)角10°， 焦距50mm，F(xiàn)# = 4 ;分光子系統(tǒng)F# = 4. 0 ;物方視場(chǎng)拼接紅外高光譜成像系統(tǒng)工作波段為 1. 0 y m_2. 5 y m，三狹縫長度16_，各狹縫相互之間間隔2. 5_，色散寬度2. 5mm (米用25 y m 像元，可以實(shí)現(xiàn)100個(gè)波段的探測(cè)）。具體相關(guān)參數(shù)見表1、表2。
[0024] 最后三路視場(chǎng)光線會(huì)聚成像在探測(cè)器光敏面處，X軸傾斜-5. 083°。
[0025] 參見附圖3、圖4、圖5是實(shí)例所述的光學(xué)系統(tǒng)的調(diào)制傳遞函數(shù)曲線，可以看出，系 統(tǒng)MTF大于0. 6,滿足成像要求。
[0026] 表 1
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種物方視場(chǎng)拼接紅外高光譜成像系統(tǒng)，包括成像子系統(tǒng)（1)和分光子系統(tǒng)（2);其 特征在于， 所述的成像子系統(tǒng)（1)包括=組前置轉(zhuǎn)折鏡（101)、后置轉(zhuǎn)折鏡（102)和物鏡組 (103); 所述前置轉(zhuǎn)折鏡（101)和后置轉(zhuǎn)折鏡（102)將光路折轉(zhuǎn)到垂直于=狹縫面和地平面的 子午面，所述的物鏡組（103)將光線會(huì)聚到=狹縫（201)所在的焦平面；所述的分光子系統(tǒng) (2)中的準(zhǔn)直反射鏡（202)用于轉(zhuǎn)折光路和會(huì)聚光線，分光棱鏡（203)用于色散和改善像 質(zhì)，會(huì)聚反射鏡（204)用于轉(zhuǎn)折光路和聚焦成像，探測(cè)器光敏面（205)用于接收=路視場(chǎng)光 線二次成像； 左路視場(chǎng)光線依次經(jīng)前置轉(zhuǎn)折鏡1 (101-1)、物鏡組1 (103-1)、后置轉(zhuǎn)折鏡1 (102-1)成 像在=狹縫面的狹縫1 (201-1)上，中路視場(chǎng)光線依次經(jīng)前置轉(zhuǎn)折鏡2 (101-2)、后置轉(zhuǎn)折鏡 2 (102-2)、物鏡組2 (103-2)成像在=狹縫面的狹縫2 (201-2)上，右路視場(chǎng)光線依次經(jīng)前置 轉(zhuǎn)折鏡3 (101-3)、物鏡組3 (103-3)、后置轉(zhuǎn)折鏡3 (102-3)成像在=狹縫面的狹縫3 (201-3) 上，通過=狹縫（201)的=路視場(chǎng)光線經(jīng)過準(zhǔn)直反射鏡（202)反射到分光棱鏡（203)色散 后，最后折射到會(huì)聚反射鏡（204); 經(jīng)過所述會(huì)聚反射鏡（204)反射成像后，最終被所述探測(cè)器光敏面（205)接收，其中， 所述探測(cè)器光敏面（205)的行接收所述目標(biāo)圖像的空間信息，所述探測(cè)器光敏面（205)的 列接收所述目標(biāo)圖像的多組光譜信息； =路視場(chǎng)光線經(jīng)分光棱鏡（203)色散后按左、中、右路順次地、緊密地二次成像在探測(cè) 器光敏面（205)上，與行掃描方向?qū)?yīng)的探測(cè)器列陣單元構(gòu)成空間維，與色散方向?qū)?yīng)的 探測(cè)器陣列單元構(gòu)成光譜維。
2. 如權(quán)利要求1所述的一種物方視場(chǎng)拼接紅外高光譜成像系統(tǒng)，其特征在于，所述的 前置轉(zhuǎn)折鏡（101)和后置轉(zhuǎn)折鏡（102)均為平面反射鏡。
3. 如權(quán)利要求1所述的一種物方視場(chǎng)拼接紅外高光譜成像系統(tǒng)，其特征在于，所述的 物鏡組1 (103-1)、物鏡組2 (103-2)、物鏡組3 (103-3)為結(jié)構(gòu)相同的望遠(yuǎn)透鏡組。
4. 如權(quán)利要求1所述的一種物方視場(chǎng)拼接紅外高光譜成像系統(tǒng)，其特征在于，所述分 光子系統(tǒng)（2)包括=狹縫（201)、準(zhǔn)直反射鏡（202)、分光棱鏡（203)、會(huì)聚反射鏡（204)和 探測(cè)器光敏面（205);其中： 所述的準(zhǔn)直反射鏡（202)為偏軸使用的凹扁球形反射面； 所述的會(huì)聚反射鏡（204)為偏軸使用的凹楠球形反射面； 所述的分光棱鏡（203)為偏軸使用的融石英棱鏡，該融石英棱鏡的第一面（203-1)和 第二面（203-2)的光學(xué)表面均為球面，其中第一面為內(nèi)反射面，第二面為透射表面。
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種物方視場(chǎng)拼接紅外高光譜成像系統(tǒng)。本系統(tǒng)由成像子系統(tǒng)和分光子系統(tǒng)構(gòu)成。所述成像子系統(tǒng)包括三組前置轉(zhuǎn)折鏡、后置轉(zhuǎn)折鏡和物鏡組，分別對(duì)應(yīng)左、中、右三路視場(chǎng)。對(duì)于中路視場(chǎng)，所述后置轉(zhuǎn)折鏡位于前置轉(zhuǎn)折鏡和物鏡組之間；對(duì)于左、右路視場(chǎng)，所述物鏡組位于前置轉(zhuǎn)折鏡和后置轉(zhuǎn)折鏡之間。所述分光子系統(tǒng)包括三狹縫、準(zhǔn)直反射鏡、分光棱鏡、會(huì)聚反射鏡和探測(cè)器光敏面。其中，三狹縫位于三路視場(chǎng)光線的一次成像處，三路視場(chǎng)光線通過三狹縫，經(jīng)準(zhǔn)直反射鏡反射后進(jìn)入分光棱鏡色散分光，再經(jīng)過會(huì)聚反射鏡反射后二次成像在探測(cè)器光敏面上。采用本發(fā)明的成像系統(tǒng)不僅像質(zhì)好，集光能力強(qiáng)，光學(xué)效率高，而且視場(chǎng)大，價(jià)格相對(duì)較低。
【IPC分類】G01J3-02, G01J3-28
【公開號(hào)】CN104535182
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201410748313
【發(fā)明人】王躍明, 周世堯, 王建宇, 舒嶸, 郎均慰, 肖喜中, 袁立銀, 黃文俊, 鮑智康
【申請(qǐng)人】中國科學(xué)院上海技術(shù)物理研究所
【公開日】2015年4月22日
【申請(qǐng)日】2014年12月9日